隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的過(guò)渡，對(duì)農(nóng)機(jī)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求逐漸提高[1]。傳統(tǒng)加工技術(shù)生產(chǎn)效率低、工藝粗糙、精度較低。因此，研究新型加工技術(shù)對(duì)于農(nóng)機(jī)更新?lián)Q代、突破國(guó)外龍頭企業(yè)的技術(shù)壁壘來(lái)說(shuō)就顯得尤為重要。激光加工技術(shù)是集光學(xué)、材料科學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)和機(jī)電控制科學(xué)為一體的系統(tǒng)科學(xué)與集成技術(shù)，是一門(mén)應(yīng)用廣泛的綜合技術(shù)[3]。目前開(kāi)發(fā)出的激光材料處理與加工技術(shù)已多達(dá)20多種，一些處理方法比較成熟，如激光焊接、激光熔覆、激光切割等，在許多行業(yè)都已得到廣泛的應(yīng)用。激光加工技術(shù)采用無(wú)接觸式加工，可減少因接觸而產(chǎn)生的形變，生產(chǎn)出精度高、耐用的零部件，從而提升零部件的使用壽命，減少生產(chǎn)成本。將激光加工技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)機(jī)制造領(lǐng)域中，可用較短的時(shí)間生產(chǎn)出復(fù)雜農(nóng)機(jī)部件，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)性能和精度都將更加優(yōu)異。由于農(nóng)機(jī)行業(yè)的滯后性，目前激光加工技術(shù)在我國(guó)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域中還沒(méi)有得到有效的推廣和應(yīng)用，因此有必要推廣激光加工技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造領(lǐng)域中應(yīng)用，以提高農(nóng)機(jī)的品質(zhì)，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。本文詳細(xì)分析了激光加工技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造行業(yè)中的發(fā)展應(yīng)用進(jìn)展,并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展提出可行性建議。

　　1 、激光加工技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用

　　激光加工技術(shù)是從20世紀(jì)60年代興起的一種技術(shù)，通過(guò)發(fā)射高能量密度光束輻照被加工零件的表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的加工處理。激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類(lèi)。激光熱加工通過(guò)激光束與材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)完成加工，包括激光焊接、激光切割和激光熔覆等;光化學(xué)反應(yīng)加工是指借助激光在被加工物體表面引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過(guò)程[4]。

　　目前，激光加工技術(shù)在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用較少，農(nóng)機(jī)制造無(wú)論是加工手段還是處理方法都較為落后[5]。為提高農(nóng)機(jī)現(xiàn)代化水平，應(yīng)大力推廣激光加工技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用，以此來(lái)改善農(nóng)機(jī)制造行業(yè)水平差、創(chuàng)新少的現(xiàn)狀，快速提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的制造水平。

　　1.1 、激光切割在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用

　　激光切割是利用激光束掃描被加工材料表面，在短時(shí)間內(nèi)將溫度升高達(dá)到幾千至上萬(wàn)攝氏度，使材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)利用高速氣流吹除熔融物質(zhì)，將工件割開(kāi)，從而完成切割[6]。激光切割采用無(wú)接觸式加工，激光光斑小，能量密度高，切割速度快，可以獲得較高的切割質(zhì)量和切割效率，對(duì)于切割某些特定的農(nóng)機(jī)材料，如塑料、陶瓷等，可以達(dá)到傳統(tǒng)切割無(wú)法達(dá)到的精度。相比于傳統(tǒng)切割技術(shù)，激光切割可加工的材料種類(lèi)較多，是目前激光加工領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的加工方法之一，占據(jù)激光加工行業(yè)約30%的份額。

　　激光切割可以切割較厚的農(nóng)機(jī)材料，而且切割精度明顯高于傳統(tǒng)切割。一些磨損較大的淺松鏟、挖掘鍬等機(jī)具，為了保證其產(chǎn)品質(zhì)量與使用壽命，一般都選用厚度在15mm左右的金屬板作為原材料進(jìn)行加工，對(duì)于這些較厚的金屬板，傳統(tǒng)切割技術(shù)無(wú)法達(dá)到切削精度的要求，隨著切割厚度的增加，切割速度將明顯下降，切邊條紋和掛渣現(xiàn)象愈發(fā)明顯。為提高農(nóng)機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量，廣東工業(yè)大學(xué)謝小柱等人提出激光技術(shù)切割厚金屬板，并對(duì)切割工藝提出了提高激光器功率、提高輔助氣流壓力、維持保護(hù)氣的純度等一些建議，實(shí)驗(yàn)表明，激光切割的厚金屬板切削質(zhì)量明顯得到改善[7]。刀片是農(nóng)機(jī)中極易受損的部位，以除草機(jī)刀片為例，除草機(jī)刀片在工作時(shí)經(jīng)常受碎石沙土的摩擦和植物汁水的腐蝕，導(dǎo)致刀片提前失效。為解決這個(gè)問(wèn)題，陳繼鋒、陳工作發(fā)明出一種刀片加工裝置[8]。裝置用激光快速切割代替?zhèn)鹘y(tǒng)切割技術(shù)，加工生產(chǎn)出的刀片無(wú)論是精度還是使用壽命都得到提升。硅鋼片是農(nóng)用泵電機(jī)的導(dǎo)磁材料，為減少磁滯損耗，硅鋼片含硅量應(yīng)在4%以下，這一含量可促使材料脆化和硬度增加[9]。如果使用傳統(tǒng)切割加工硅鋼片會(huì)嚴(yán)重磨損刀具，導(dǎo)致工件產(chǎn)生毛刺甚至斷裂。1984年外國(guó)學(xué)者Klaus Diekmann提出利用CO2激光器切割硅鋼片，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的控制與分析，在高氣壓和切削速度較快的條件下，可以生產(chǎn)出質(zhì)量較高的硅鋼片，但缺點(diǎn)是對(duì)切割條件要求較高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。如在非理想條件下切割，硅鋼片中的硅元素會(huì)和氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成密度較低的SiO2和鐵硅氧化物，依附在材料表面，用高壓氣體難以吹走，材料表面的氧化物直接影響到產(chǎn)品的精度。2002年朱龍駒、洪蕾兩人針對(duì)激光切割硅鋼片的工藝進(jìn)行了研究[10]。在原參數(shù)的基礎(chǔ)上使用高純N2作為輔助切割氣體，N2可以阻擋空氣中的氧氣與材料發(fā)生反應(yīng)，防止Si O2和鐵硅氧化物的生成，提升切割精度。2015年侯培紅研究不同技術(shù)參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響，不斷進(jìn)行切割試驗(yàn)，最終得出一組有效切割硅鋼片的工藝參數(shù)，切割速度8.2m/min、功率2kW、頻率2kHz、脈沖寬度0.5ms。使用有效工藝參數(shù)生產(chǎn)出的硅鋼片，切割質(zhì)量完全符合產(chǎn)品的質(zhì)量要求[11]。

　　陶瓷硬度高、耐腐蝕性強(qiáng)，是農(nóng)機(jī)刀具的常用材料。但陶瓷脆性大，傳統(tǒng)切割方法會(huì)使陶瓷受到較大的沖擊力導(dǎo)致瞬間斷裂。洪蕾等人利用激光切割Si3N4工程陶瓷，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型與多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，證明了激光切割陶瓷的可行性，并且控制微裂紋尺寸在晶粒尺寸以下，獲得無(wú)裂紋的切口[12]。季凌飛等人研究Al2O3工程陶瓷的激光切割方法，以10mm厚的陶瓷為研究對(duì)象，采用CO2激光器切割，對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行分析，工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[13]。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，得出切割10mm以上Al2O3工程陶瓷的最佳工藝參數(shù)，脈沖峰值功率2.7～3.5 kW，脈沖頻率50 Hz，脈沖占空比30%～50%，通孔時(shí)間0.1～0.5s，研究指出，在最佳工藝參數(shù)內(nèi)切割陶瓷，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損切割。

　　農(nóng)機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品更新速度快，對(duì)加工技術(shù)要求較高，激光切割技術(shù)切割質(zhì)量好，切割效率高，可縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，對(duì)于復(fù)雜零件的加工，優(yōu)勢(shì)更為明顯[14]。激光切割技術(shù)在農(nóng)機(jī)的制造生產(chǎn)中逐漸成為不可缺少的加工工藝，成為提升現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)制造品質(zhì)的新起點(diǎn)，改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)加工的技術(shù)支撐，激光切割技術(shù)的廣泛應(yīng)用正推動(dòng)農(nóng)機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

　　1.2 、激光焊接在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用

　　激光焊接過(guò)程中，將高強(qiáng)度激光束輻射至金屬表面，通過(guò)激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接[15]。激光焊接具有速度快、熱影響區(qū)小、變形小、焊接牢固等優(yōu)點(diǎn)，激光束經(jīng)過(guò)焦距后可獲得很小的光斑，能夠做到定位精準(zhǔn)。激光焊接可以提升焊縫的抗拉強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命，提升農(nóng)機(jī)的加工質(zhì)量和使用性能[16]。

　　20世紀(jì)80年代，激光焊接作為新技術(shù)，在各個(gè)國(guó)家受到廣泛關(guān)注，各國(guó)學(xué)者紛紛投入研發(fā)中。1982年蘇聯(lián)拖拉機(jī)農(nóng)機(jī)工藝研究所提出，在農(nóng)機(jī)的制造中可利用激光焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接[17]。其研究表明農(nóng)機(jī)加工中，最佳激光輻射密度為107W/cm2。為進(jìn)一步證明該結(jié)論的可靠性，蘇聯(lián)拖拉機(jī)工藝研究所與工廠合作，利用功率為5kW的激光器對(duì)低碳鋼進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，通過(guò)焊接兩塊厚度不同的鋼板，焊縫斷面呈小刀狀，焊接質(zhì)量良好。張青榮用激光焊接技術(shù)生產(chǎn)拖拉機(jī)前軸梁異型管[18]，激光焊接與傳統(tǒng)焊接的無(wú)縫異型管相比，利用激光焊接生產(chǎn)出的焊接異型管，無(wú)論是沖擊韌性還是疲勞強(qiáng)度都得到了顯著提升。另外旋耕滅茬刀片是農(nóng)機(jī)具上的一種關(guān)鍵部件，主要材料為65Mn彈簧鋼，工作時(shí)經(jīng)常與土壤接觸，加速自身失效。劉其斌、李賓用激光焊接技術(shù)來(lái)加工65Mn彈簧鋼，并做出實(shí)驗(yàn)[19]。實(shí)驗(yàn)采用5kW CO2激光器對(duì)65Mn彈簧鋼進(jìn)行激光焊接處理，經(jīng)過(guò)激光焊接后的65Mn彈簧鋼，焊縫中心區(qū)組織為等軸晶，近中心區(qū)為枝狀晶和胞狀晶的混合組織，邊緣區(qū)為少量的胞狀晶，相比于傳統(tǒng)焊接焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力和焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)明顯減少，通過(guò)激光焊接制造的旋耕滅茬刀片性能明顯得到提升。

　　激光焊接不僅可以焊接金屬，也可以用于非金屬的焊接。工程塑料質(zhì)量輕、成本低，常被應(yīng)用在拖拉機(jī)的輪轂封蓋、油管接頭、噴油泵檢查口蓋、濾清器蓋等農(nóng)機(jī)部件中。尤其像工程塑料熔點(diǎn)低，傳統(tǒng)的加工方法容易導(dǎo)致非加工區(qū)域產(chǎn)生變形，激光技術(shù)的誕生解決了這一問(wèn)題。焦俊科等人對(duì)激光焊接工程塑料進(jìn)行了有限元分析，利用數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬證明了焊接的可行性[20]。王衛(wèi)華等人將東方紅輪式拖拉機(jī)的油管接頭和柴油機(jī)上的噴油泵檢查口蓋進(jìn)行激光焊接處理，經(jīng)測(cè)試，焊接后焊縫處的耐溫性、密封性、抗沖擊性均已達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)[21]。

　　激光焊接可以提高農(nóng)機(jī)的使用壽命與可靠性，一些需要與地表直接接觸的農(nóng)業(yè)機(jī)械如播種機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)、旋耕機(jī)等，需要極強(qiáng)的抗震抗阻能力，使用激光焊接生產(chǎn)加工可以提高焊接接頭的加工質(zhì)量。隨著科技的發(fā)展，激光焊接在農(nóng)機(jī)制造中已經(jīng)舉足輕重。

　　1.3 、激光熔覆技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用

　　農(nóng)機(jī)的摩擦、磨損、腐蝕等失效形式大多發(fā)生在表面，因此材料整體在滿(mǎn)足足夠的韌性與強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)表面也要求擁有特定的使用性能，如耐腐蝕、耐磨損等[22]。傳統(tǒng)強(qiáng)化方法如電弧噴涂、等離子堆焊、噴丸強(qiáng)化等，雖然能提升材料的性能，但相比于激光熔覆技術(shù)無(wú)法保證熔覆層的結(jié)合強(qiáng)度，而且在處理時(shí)容易對(duì)材料造成損害。激光熔覆是通過(guò)高能量密度的激光束，使基材表面薄層和熔覆材料熔凝，在基材表面形成熔覆層。尤其在農(nóng)機(jī)制造中為了節(jié)約生產(chǎn)成本，會(huì)使用價(jià)格較低的材料，材料價(jià)格低性能普遍較差，利用激光在材料表面熔覆一層高性能的合金可提升農(nóng)機(jī)的性能與可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。

　　拖拉機(jī)曲軸工作環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期高速旋轉(zhuǎn)，部件失效難以避免。張廣等人提出在制造曲軸時(shí)可以使用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化，提升使用壽命[23]。實(shí)驗(yàn)選用45#鋼為基體材料，熔覆粉末選用鐵基自熔性合金粉末，使用YAG脈沖固體激光器進(jìn)行熔覆。實(shí)驗(yàn)表明：熔覆區(qū)相比于基體材料顯微硬度提升2.6倍。王東生、田宗軍兩人通過(guò)激光熔覆技術(shù)提升齒輪的性能，熔覆材料為Ni Cr BSi粉末和高硬度WC-Co混合粉末，質(zhì)量比為85︰15，基體材料選用農(nóng)機(jī)齒輪常用的42CrMo合金鋼，通過(guò)激光熔覆技術(shù)，齒輪表面硬度由270HV1提升到810HV1，磨損質(zhì)量損失由1.9mg降低到0.3mg，齒輪的硬度與耐磨性均得到提升[24]。田永財(cái)?shù)热死�用激光熔覆技術(shù)提升旋耕刀的性能，通過(guò)熔覆自熔性鐵基合金粉末，將表面的硬度由280HV1提升到820HV1，經(jīng)激光熔覆處理后旋耕刀耐磨性能明顯提升[25]。深松鏟是農(nóng)機(jī)耕作的主要部件，在工作時(shí)會(huì)受到較大的沖擊力與磨損，從而導(dǎo)致使用壽命降低，閆勇提出可以在鏟尖處熔覆一層鎳基合金，經(jīng)過(guò)多次田間實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果表明：通過(guò)激光熔覆處理后的鏟尖的耐磨性得到了很好的提升[26]。

　　1.4 、激光快速成型在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用

　　激光快速成型技術(shù)采用計(jì)算機(jī)繪制零件圖形，通過(guò)金屬粉末堆積逐層打印。具有可采用多種材料、制造工藝簡(jiǎn)單、精度高、材料利用率高、制造周期短的優(yōu)點(diǎn)。梁博宇等人利用激光快速成型技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)了板栗脫蓬一體機(jī)，研發(fā)過(guò)程中利用快速成型技術(shù)可即時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，將思想快速轉(zhuǎn)換成功能性的器械，縮短制作流程，提高研發(fā)效率[27]。激光快速成型技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，正逐步走向成熟，在提高零件成型精度、減少制造時(shí)間、降低制造成本等方面取得了顯著進(jìn)展。但是由于價(jià)格昂貴，在農(nóng)機(jī)制造領(lǐng)域中應(yīng)用少。相信，隨著科技的進(jìn)步，國(guó)家的扶持，激光快速成型技術(shù)定會(huì)在農(nóng)機(jī)制造領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

　　2、 展望

　　近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械制造技術(shù)的不斷提升，激光加工技術(shù)的研究在不斷取得突破，為激光加工技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造中的推廣提供了動(dòng)力與條件。激光切割的工藝得到優(yōu)化，可以良好的切割各種材質(zhì)的零件，且不會(huì)影響農(nóng)機(jī)零件的使用性能;激光焊接的加工質(zhì)量得到了提升，焊縫不僅牢固、可靠，而且各項(xiàng)性能更加優(yōu)異;激光熔覆技術(shù)則開(kāi)發(fā)出多種合金用于提高農(nóng)機(jī)表面的性能，如耐磨、耐腐蝕、耐高溫等。雖然激光加工技術(shù)日漸成熟，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)，為了加速在農(nóng)機(jī)中的推廣，后續(xù)研究方向可在以下幾點(diǎn)展開(kāi)。1)深入研究激光加工技術(shù)的基礎(chǔ)理論，完全了解這項(xiàng)工藝，以發(fā)揮出激光加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。2)研發(fā)適用于農(nóng)機(jī)表面性能強(qiáng)化的合金粉末，在粉末中添加新元素進(jìn)行熔覆，通過(guò)提高耐磨性、耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度等表面性能，改善農(nóng)機(jī)使用性能。3)優(yōu)化脈沖寬度、切割速度、功率等工藝參數(shù)，提升加工零件的使用性能。

　　3 、結(jié)語(yǔ)

　　現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開(kāi)農(nóng)業(yè)機(jī)械的更新?lián)Q代，激光加工技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造中的推廣應(yīng)用，將極大地改善農(nóng)機(jī)的制造質(zhì)量，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)與水平的發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

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　　《農(nóng)機(jī)制造中激光加工技術(shù)的運(yùn)用》來(lái)源：《南方農(nóng)機(jī)》，作者：巴一,戰(zhàn)金明,師文慶